張 藝，王寒棟，唐汝寧

中央空調(diào)一機(jī)多水泵運(yùn)行能效分析

張 藝1.2，王寒棟2，唐汝寧1

（1. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；2. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

針對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管理中實(shí)際存在的啟動(dòng)時(shí)段內(nèi)運(yùn)行一臺(tái)冷水機(jī)組、二臺(tái)冷凍水泵和二臺(tái)冷卻水泵的現(xiàn)象（稱為“一機(jī)多水泵運(yùn)行”），根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得的中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，從冷凍水流量、冷水機(jī)組能效、冷凍泵效率、冷凍水側(cè)能效和冷凍站能效等多個(gè)角度對(duì)該運(yùn)行管理方式進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，指出應(yīng)改變現(xiàn)有的運(yùn)行管理方式，使空調(diào)系統(tǒng)保持良好的運(yùn)行性能模式．

中央空調(diào)系統(tǒng)；運(yùn)行管理；能效；冷凍水泵

在中央空調(diào)運(yùn)行管理中，不少運(yùn)行管理人員在中央空調(diào)啟動(dòng)時(shí)段內(nèi)采用運(yùn)行一臺(tái)主機(jī)（冷水機(jī)組）配二臺(tái)冷凍水泵和二臺(tái)冷卻水泵的方法（稱為一機(jī)多水泵運(yùn)行）．其具體做法為：在冷水機(jī)組開(kāi)啟初期，即使是運(yùn)行1臺(tái)冷水機(jī)組，也投入多臺(tái)并聯(lián)水泵尤其是多臺(tái)冷凍水泵配套運(yùn)行．部分一線運(yùn)行管理人員認(rèn)為這樣做可以在盡量短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)提供高速大流量的冷凍水，使冷凍水在系統(tǒng)中快速循環(huán)起來(lái)，加速冷負(fù)荷傳遞，從而快速去除建筑物的冷負(fù)荷，為建筑使用人員提供一個(gè)舒適涼爽的建筑環(huán)境．文獻(xiàn)[1]指出這種運(yùn)行管理方式是一種中央空調(diào)運(yùn)行系統(tǒng)化管理的弊端[1]，但未對(duì)這一運(yùn)行管理方式進(jìn)行詳細(xì)分析．因此，中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管理人員沒(méi)有從根本上認(rèn)識(shí)這一運(yùn)行管理方法的不足，至今這種運(yùn)行管理方法仍被廣泛采用．

本文根據(jù)某中央空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)，從水泵運(yùn)行工況、水泵能效、冷水機(jī)組能效、冷凍水側(cè)能效和冷凍站能效等角度，針對(duì)其運(yùn)行管理中出現(xiàn)的“一機(jī)多水泵”運(yùn)行現(xiàn)象進(jìn)行分析，為空調(diào)運(yùn)行管理節(jié)能提供參考．

1 系統(tǒng)及設(shè)備運(yùn)行概況

深圳市某辦公樓的中央空調(diào)系統(tǒng)冷凍站流程如圖1所示，冷水機(jī)組和水泵的額定參數(shù)見(jiàn)表1．該辦公型建筑的中央空調(diào)一般每年的在5～11月下旬工作日8：00～17：30正常使用．在中央空調(diào)的運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常采用文中提到的“一機(jī)多水泵”的運(yùn)行管理方法．

本研究對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以獲得實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，主要測(cè)試參數(shù)包括冷凍水和冷卻水流量、冷水機(jī)組中冷凍水和冷卻水的進(jìn)出水溫度、設(shè)備進(jìn)出口的水流壓力、冷水機(jī)組和泵的輸入電功率等．主要的溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器的安裝位置見(jiàn)圖1．各溫度傳感器、壓力傳感器和流量傳感器的相關(guān)參數(shù)如表2所示．所有數(shù)據(jù)由專門(mén)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每5min采集一次，24小時(shí)不間斷采集．所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)入儲(chǔ)存器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析和處理．

圖1 空調(diào)冷凍站系統(tǒng)示意圖

表1 冷水機(jī)組、水泵等的額定參數(shù)

表2 傳感器的相關(guān)參數(shù)

2 一機(jī)多水泵運(yùn)行的能效分析

為分析“一機(jī)多水泵”運(yùn)行方式的特點(diǎn)，同時(shí)為了便于比較，從該建筑中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)中，選取了兩天比較有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：

1）2012年10月26號(hào)的冷水機(jī)組以及冷凍水泵的運(yùn)行工況數(shù)據(jù)．這一天冷水機(jī)組和冷凍水泵的運(yùn)行情況是：上午8:40分開(kāi)機(jī)，全天只運(yùn)行2#冷水機(jī)組，在8:40-9:25分同時(shí)運(yùn)行1#冷凍水泵和2#冷凍水泵；在9:25分關(guān)閉2#冷凍水泵，其余時(shí)間只有1#冷凍水泵在運(yùn)行．冷水機(jī)組和冷凍水泵在下午17:05分關(guān)閉．

2）2012年9月18號(hào)的冷水機(jī)組以及冷凍水泵的運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，這一天機(jī)組和冷凍水泵的運(yùn)行情況是：上午8:25分開(kāi)機(jī)，全天只運(yùn)行2#冷水機(jī)組，全天只運(yùn)行2#冷凍水泵，下午17:55分關(guān)機(jī)．

將上述2天的數(shù)據(jù)分成3組進(jìn)行計(jì)算．第一組是10月26日8:40-9:25，該時(shí)間段內(nèi)采用一機(jī)多泵；第二組是10月26日上午9:25-17:05，該時(shí)間段內(nèi)冷水系統(tǒng)的運(yùn)行恢復(fù)為一臺(tái)冷水機(jī)組配套一臺(tái)冷凍水泵；第三組為9月18日8:25-17：55，全天冷水機(jī)組的運(yùn)行都是一臺(tái)冷水機(jī)組配套一臺(tái)冷凍水泵．

從冷水機(jī)組能效[2]、冷凍水側(cè)能效、冷凍站能效以及工作的冷凍水泵的能效[2]這四個(gè)能效方面以及冷凍水流量和冷凍水溫差對(duì)上述3組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，分析“一機(jī)多水泵”運(yùn)行管理方式是否合理（由于數(shù)據(jù)過(guò)多，故計(jì)算結(jié)果僅選取其每組的一部分進(jìn)行呈現(xiàn)）．

1）冷水機(jī)組能效

式中：COPj為冷水機(jī)組的能效值；

Nzin為冷水機(jī)組的輸入功率（kW）；

Q0為工作的冷水機(jī)組制冷量（kW），由式（2）計(jì)算：

式中：ρ為水的密度（kg/m3）；

Cp為水的定壓比熱容(J/kg.)℃；

Qi為水的單位時(shí)間體積流量(m3/h)；

TEin為進(jìn)入蒸發(fā)器的冷凍水的溫度()℃；

TEout為離開(kāi)蒸發(fā)器的冷凍水的溫度()℃．

使用傳感器得到冷凍水的瞬時(shí)流量、進(jìn)入和離開(kāi)蒸發(fā)器的冷凍水的溫度等參數(shù)，利用公式（1）和公式（2）進(jìn)行計(jì)算，即可得到各組數(shù)據(jù)的冷水機(jī)組能效值．

2）冷凍水側(cè)能效：定義為整個(gè)冷凍水系統(tǒng)所輸送的制冷量與冷水機(jī)組以及參與工作的冷凍水泵所消耗的電功率的比值．這個(gè)能效值是衡量冷凍水側(cè)設(shè)備運(yùn)行效率的參數(shù)．

式中：COPc為冷凍水側(cè)能效；

Nzin為冷水機(jī)組的輸入功率(kW)；

Ndin為工作的冷凍水泵的輸入功率(kW)．

3）冷凍站能效：能效值是綜合考慮參與中央空調(diào)制冷過(guò)程中位于冷凍站的設(shè)備的能效值．該能效值計(jì)算式是整個(gè)冷凍水系統(tǒng)所輸送的制冷量與冷水機(jī)組以及參與工作的冷凍水泵和冷卻水泵的電功率的比值．

式中：COPz為 冷凍站能效；

Nqin為工作的冷卻水泵的輸入功率；

利用不同時(shí)間段內(nèi)的冷水機(jī)組能效、冷凍水側(cè)能效、冷凍站能效值數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以得到圖2～4所示的能效曲線圖，通過(guò)曲線圖的趨勢(shì)可以直觀對(duì)比體現(xiàn)出不同時(shí)間段的能效值優(yōu)劣．可以看出，10月26日在采用“一機(jī)多水泵”運(yùn)行的時(shí)間段內(nèi)（8:40～9:25），剛開(kāi)機(jī)的短時(shí)間內(nèi)3項(xiàng)能效都保持在與其他時(shí)間段內(nèi)相接近的水平，隨后各項(xiàng)能效值都出現(xiàn)了較大幅度的下滑，機(jī)組能效值、冷凍水側(cè)能效值、冷凍站能效值分別從5.1、3.8、3.1下降到2.4、1.7、1.4．

經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，9月18日全天都是一臺(tái)冷水機(jī)組搭配一臺(tái)冷凍水泵運(yùn)行，全天3項(xiàng)能效值都保持在較高、平穩(wěn)的水平，沒(méi)有出現(xiàn)類似于10月26日“一機(jī)多水泵”運(yùn)行期間的各項(xiàng)能效值都大幅度下滑的情況．

4）冷凍水泵綜合能效

式中：

Qi為水泵輸送的冷凍水體積流量(kg/m3)；

ΔPi為工作的水泵前后壓差(kPa)；

Ni,in為工作水泵的輸入功率(kW)．

使用傳感器得到壓力值、冷凍水的瞬時(shí)流量以及工作水泵的輸入功率，結(jié)合公式（5），可以計(jì)算得到不同時(shí)間段內(nèi)的水泵能效值，并根據(jù)相應(yīng)時(shí)間的水泵綜合能效值得到水泵綜合能效曲線圖，如圖5所示．

由圖5可以清晰的看出，在“一機(jī)多水泵”運(yùn)行期間，冷凍水泵的綜合能效明顯低于一臺(tái)主機(jī)搭配一臺(tái)冷凍水泵運(yùn)行期間的水泵綜合能效．除去水泵開(kāi)機(jī)一瞬間的非正常點(diǎn)位外，冷凍水泵的綜合能效值是維持在較高的水平，全天的綜合能效值波動(dòng)也是屬于正常的波動(dòng)．根據(jù)以上的各個(gè)能效值計(jì)算結(jié)果以及溫度值、流量值等的運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得到3組數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果的平均值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3．

圖2 10月26日與9月18日不同時(shí)間點(diǎn)的冷水機(jī)組能效對(duì)比

圖3 10月26日與9月18日不同時(shí)間點(diǎn)冷凍水側(cè)能效對(duì)比

圖4 10月26日與9月18日不同時(shí)間點(diǎn)冷凍站效對(duì)比

圖5 9月18日與10月26日水泵綜合能效對(duì)比

表3 綜合對(duì)比不同的水泵運(yùn)行方式的運(yùn)行效果

3 分析與討論

3.1 對(duì)冷凍水流量的影響

理論上，多臺(tái)泵并聯(lián)后可在一定程度上增大水流量，而其實(shí)際增加量則要根據(jù)實(shí)際管路情況確定．以2臺(tái)同型號(hào)水泵并聯(lián)為例，當(dāng)2臺(tái)同樣型號(hào)的冷凍水泵并聯(lián)工作后，其聯(lián)合運(yùn)行特性曲線與單臺(tái)冷凍水泵的工作點(diǎn)是不同的．根據(jù)并聯(lián)泵工況分析時(shí)采用的“揚(yáng)程相同、流量疊加”方法[3-4]，在水泵流量—揚(yáng)程（Q-H）曲線圖上，由單臺(tái)水泵運(yùn)行的工作曲線得到2臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行的工作曲線，并由2臺(tái)水泵工作曲線與管路特性曲線相交得到新的工作狀態(tài)點(diǎn)M，圖6中曲線1是單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)的工作曲線，曲線3是管路的特性曲線，我們根據(jù)2臺(tái)相同的水泵并聯(lián)之后流量加倍、揚(yáng)程不變的特性繪出曲線2，曲線2便是2臺(tái)水泵并聯(lián)后的工作曲線．其中，S點(diǎn)為單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)點(diǎn)，單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)揚(yáng)程為H1．而兩臺(tái)水泵并聯(lián)之后，工作狀態(tài)點(diǎn)變?yōu)镸點(diǎn)，此時(shí)水泵的揚(yáng)程為H2．可以看出并聯(lián)的2臺(tái)冷凍水泵每一臺(tái)水泵的流量小于原來(lái)單臺(tái)水泵單獨(dú)工作時(shí)候的流量，并聯(lián)每臺(tái)水泵的揚(yáng)程大于單獨(dú)運(yùn)行的一臺(tái)水泵的揚(yáng)程．因此我們得出這樣的定性結(jié)論：2臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行后，總的流量確實(shí)是增大的，但是增大的幅度并不是原來(lái)同樣型號(hào)水泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)候的兩倍．關(guān)于揚(yáng)程，兩臺(tái)水泵并聯(lián)之后由于工作點(diǎn)的變化，新的工作點(diǎn)的揚(yáng)程是大于單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)候的揚(yáng)程．

圖6 同型號(hào)的兩臺(tái)水泵并聯(lián)

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，在一臺(tái)冷水機(jī)組配套雙冷凍水泵運(yùn)行期間，系統(tǒng)的冷凍水流量相比一臺(tái)冷水機(jī)組配套單臺(tái)冷凍水泵運(yùn)行期間的冷凍水流量有了大幅度提升．

可見(jiàn)，這種“一機(jī)多水泵”的運(yùn)行管理方法確實(shí)達(dá)到了增大冷凍水流量的效果．但是，在中央空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行管理中，單純的增大冷凍水流量肯定不是目的，真正關(guān)心的應(yīng)該是在滿足空調(diào)舒適性要求的同時(shí)具有較高的能效．因此，必須結(jié)合能效才能對(duì)這一運(yùn)行方式進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)．

3.2 對(duì)機(jī)組冷凍水供回水溫差的影響

冷水機(jī)組制冷的基本原理就是利用低溫的制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)與從用戶末端回來(lái)的冷凍水換熱，吸收冷凍水的熱量使冷凍水降溫，再將冷凍水輸送至用戶末端，利用低溫冷凍水吸收室內(nèi)的熱量．機(jī)組的制冷量不只取決于冷凍水的流量，與機(jī)組內(nèi)蒸發(fā)器前后的溫度也是有很大的關(guān)系，這也是能從冷水機(jī)組制冷量的計(jì)算式（2）中直接可以體現(xiàn)出來(lái)的．因此，在蒸發(fā)器內(nèi)冷凍水的溫差是衡量冷水機(jī)組工作效果的一項(xiàng)直觀、重要的指標(biāo)．

在10月26日的一機(jī)雙水泵時(shí)間段內(nèi)，冷凍水進(jìn)出蒸發(fā)器的溫差平均值為3.1℃，在10月26日其他僅啟用一臺(tái)冷凍水泵的時(shí)間段內(nèi)冷凍水進(jìn)出蒸發(fā)器的溫差平均值為2.7℃．9月18日進(jìn)出蒸發(fā)器的冷凍水平均溫差為3.5℃

由此可見(jiàn)，在溫差方面初期一機(jī)多水泵的運(yùn)行方式?jīng)]有帶來(lái)明顯的效果．雖然3.1℃的溫差的確是大于同一天其他時(shí)間2.7℃的，但是這更多是由于開(kāi)機(jī)初期冷凍水的溫度較高、冷水機(jī)組工作在高負(fù)荷狀態(tài)．對(duì)比全天單水泵運(yùn)行的9月18日，該天的冷凍水在蒸發(fā)器前后的溫差為3.5℃，大于10月26日一機(jī)雙冷凍水泵運(yùn)行時(shí)期3.1℃的溫差，也驗(yàn)證了這一推測(cè)．因此，在增大冷凍水溫差方面，初期一機(jī)雙水泵的運(yùn)行方式也沒(méi)有起到作用．

“一機(jī)多水泵”的運(yùn)行管理方式雖然提供了較大的冷凍水流量，但是在冷水機(jī)組的蒸發(fā)器前后溫差并沒(méi)有相較于其他時(shí)間段內(nèi)有提升，單純的提高冷凍水的流量并不會(huì)提高冷水機(jī)組的工作效果，而且容易出現(xiàn)“大流量，小溫差”的現(xiàn)象．

3.3 對(duì)能效的影響

通過(guò)對(duì)比3組數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在10月26日初期一機(jī)雙冷凍水泵的時(shí)間段內(nèi)機(jī)組能效、冷凍水側(cè)能效平均值基本保持不變；而相比同一天其余時(shí)間段，冷凍站能效平均值則下降了13%．更何況，冷水機(jī)組在啟動(dòng)初期冷負(fù)荷就相比較于其他時(shí)期較大，而機(jī)組在高負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)一般都具有較高的能效．綜合這兩方面的考慮，就能推斷出在一機(jī)單冷凍水泵時(shí)期機(jī)組能效、冷凍水側(cè)能效、冷凍站能效是高于一機(jī)雙冷凍水泵運(yùn)行時(shí)期的．提出“一機(jī)多水泵”運(yùn)行管理方法的運(yùn)行管理人員的根本目的是想通過(guò)大流量的冷凍水迅速的去除建筑物的冷負(fù)荷，但是通過(guò)機(jī)組能效、冷凍水側(cè)能效和冷凍水側(cè)能效方面的數(shù)值對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，“迅速去除建筑物冷負(fù)荷”的效果根本沒(méi)有達(dá)到．而且這樣“一機(jī)多水泵”的運(yùn)行管理方法不是無(wú)償?shù)?，圖5中的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，“一機(jī)多水泵”的運(yùn)行管理方法使水泵的綜合能效降低．在10月26日這一天的“一機(jī)多水泵”運(yùn)行期間，多開(kāi)一臺(tái)冷凍水泵相比于一臺(tái)冷水機(jī)組搭配一臺(tái)冷凍水泵運(yùn)行要多付出63%的冷凍水泵耗電量，同時(shí)水泵的使用壽命也會(huì)受到一定的影響．

[1] 周四俚．我國(guó)中央空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行管理人員的技術(shù)素質(zhì)亟待提高[J]．制冷，2003（3）：35-37．

[2] 彥啟森，石文星，田長(zhǎng)青．空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004．

[3] 王寒棟，李敏．泵與風(fēng)機(jī)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

[4] 付祥釗．流體輸配管網(wǎng)[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005．

Energy Efficiency of Central Air-Conditioning System Operated Under the Condition of One Chiller with Several Chilled-Water Pumps

ZHANG Yi1，2, WANG Handong1, TANG Runing2

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China；2. Department of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot, Inner Mongolia 010051, China）

In central air-conditioning operating systems, there is an informal operation method called one chiller with several chilled water pumps (OCCWP) in which operate one water chiller is operated with several chilled water pumps running at the same time, especially in activating stage. In order to examine the disadvantages of OCCWP method, an experimental study was made and the on-field data were collected. Based on the experimental data, the chilled water flow rate, efficiencies of chiller, chilled water pumps, chilled water side equipments, and cooling plant system are analyzed. The results indicate that the OCCWP method hinders the system performance and causes more energy consumption. Therefore, it should be abandoned to improve the energy efficiency of air-conditioning systems.

central air-conditioning system; operation and maintenance; energy efficiency; chilled water pump

TB657.2

A

1672-0318（2014）03-0048-07

2013-08-04

張藝（1988-），男，河北邢臺(tái)人．研究方向：中央空調(diào)的能效診斷及其改進(jìn)措施．

＊通訊作者：王寒棟（1969-），湖南岳陽(yáng)人，男，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)橹评淇照{(diào)工程中流體傳熱和流動(dòng)技術(shù)、新能源利用和節(jié)能技術(shù)等．